Мирный атом: что это такое и как устроен мощнейший в мире источник энергии
Ядерная энергетика последние несколько десятилетий остается одним из самых перспективных видов получения энергии в мире. Кроме того, ее физические принципы применяют в ядерной медицине и космических технологиях. «Хайтек» подробно рассказывает, как изучали мирный атом и почему одни страны фокусируются на использовании ядерной энергетики, а другие закрывают все АЭС.
История атомной энергетики, как ни странно, началась с огромного количества исследований в других областях. В 1895 году первый в истории лауреат Нобелевской премии по физике Вильгельм Рентген случайно открывает рентгеновское излучение, полученное им на первом ускорителе электронов — катодной трубке.
В 1896 году французский физик Анри Беккерель открыл феномен радиоактивности при изучении фосфоресценции солей урана, а его исследования продолжила знаменитая супружеская пара Пьера и Мари Кюри — только они уже проводили эксперименты с соединениями тория и солями урана. Ими были выделены высокоактивные элементы полоний и радий, а позже они обнаружили, что эти радиоактивные элементы испускают три вида проникающей радиации: α-, β- и γ- лучи.
Считается, что самый большой вклад в фундаментальное изучение атомарной структуры и последующего открытия ядерного синтеза внес британский физик Эрнест Резерфорд. В 1911 году своим знаменитым опытом рассеяния альфа-частиц он доказал существование в атомах положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. На основе результатов опыта ученый создал первую планетарную модель атома.
Согласно воспоминаниям советского физика Льва Капицы, Эрнест Резерфорд был ярким представителем английской экспериментальной школы в физике, для которой характерно стремление разобраться в сути физического явления и экспериментально проверить, может ли оно быть объяснено существующими теориям.
Он редко использовал формулы и практически не использовал математические расчеты. Его коллеги и ученики отмечали, что Резерфорд был гениальным экспериментатором. Например, он открыл эманацию тория, заметив различия в показаниях электроскопа, измерявшего ионизацию, при открытой и закрытой дверце в приборе, перекрывавшей поток воздуха. Другой пример — открытие Резерфордом искусственной трансмутации элементов, когда облучение ядер азота в воздухе альфа-частицами сопровождалось появлением очень редких высокоэнергичных частиц (протонов), имевших больший пробег.
В современном мире ядерная физика делится на два основных направления — военные технологии и так называемая сфера мирного атома, в который входит несколько отделений: изучение возможностей атома, ядерная энергетика и ядерная медицина.
Ядерная энергетика
В любой области энергетики первичным источником является ядерная энергия — например, энергия солнечных ядерных реакций в гидроэлектростанциях, солнечных электростанциях и электростанциях, работающих на органическом топливе, или энергия радиоактивного распада в геотермальных электростанциях. Однако к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах.
Впервые цепная реакция ядерного распада была осуществлена 2 декабря 1942 года в Чикагском университете. Для ее реализации использовался уран в качестве топлива, а графит в качестве замедлителя. Но первая электроэнергия, извлеченная из энергии ядерного распада, была получена только спустя почти 10 лет — 20 декабря 1951 года в Национальной лаборатории Айдахо с помощью реактора на быстрых нейтронах EBR-I (Experimental Breeder Reactor-I), произведенная мощность которого составляла около 100 кВт.
Советский Союз старался не отставать в сфере ядерного развити, и 9 мая 1954 года на ядерном реакторе в Обнинске была достигнута первая устойчивая цепная ядерная реакция. Реактор мощностью 5 МВт работал на обогащенном уране с графитом в качестве замедлителя, для охлаждения использовалась вода с обычным изотопным составом. 26 июня в 17:30 энергия, выработанная здесь, стала поступать в потребительскую электросеть Мосэнерго.
На сегодняшний день ядерная энергия обеспечивает до 15% от производства всей электроэнергии на Земле — до 6,55 млрд МВт·ч (562,9 млн тонн в нефтяном эквиваленте). В мире функционируют почти 500 АЭС, большинство из которых находятся на территории Северной Америки, Европы, Азии и стран бывшего СССР. При этом на территории Африки АЭС практически нет, а в Австралии ядерная энергия не используется совсем.
Доля выработки электроэнергии на АЭС в некоторых странах достигает больших значений: так, в 12 странах она превышает 30% от общего количества энергии. С другой стороны, в некоторых странах ее доля в энергобалансе незначительна — Китай является вторым лидером по мощности АЭС, однако ядерная энергия дает всего порядка 4% электричества страны. Основным лидером по установленной мощности являются США, однако ядерная энергетика составляет там лишь 20% в общем энергобалансе. Мировым лидером по доле в общей выработке является Франция, в которой ядерная энергетика является национальным приоритетом — 72% от всего электричества в стране.
Самыми масштабными программами по строительству новых АЭС владеют Россия, Индия и Южная Корея, в которых сейчас строится около 35 новых атомных электростанций, что более 50% от всех создаваемых объектов такого типа.
Ядерная энергия используется не только для снабжения жителей с помощью атомных электрических станций, но и для передвижения атомных ледоколов и атомных подводных лодок. Кроме того, многие страны имеют программы изучения возможностей атомного деления — например, для создания ядерного ракетного двигателя, в том числе для космических кораблей. СССР даже имел программу спутников, которые имели в себе ядерные двигатели. Подробнее об этом читайте в нашем большом материале.
Проблемы атомной энергии
На сегодняшний день в мире существуют две противоположные тенденции — некоторые страны начинают сворачивать свои ядерные программы. Например, США, Франция и Япония начинают закрывать некоторые АЭС, а Италия стала первой страной в мире, которая сознательно закрыла все АЭС и полностью отказалась от ядерной энергетики.
Бельгия, Германия, Испания, Швейцария и Швеция осуществляют долгосрочную политику по отказу от ядерной энергетики. Австрия, Куба, Ливия, Вьетнам и Польша закрыли свои ядерные программы буквально перед пуском первой АЭС по политическим, экономическим или техническим причинам.
Самым спорным моментом в ядерной энергетике является ее безопасность, особенно связанная с эксплуатацией реакторов. Противники ядерных систем указывают на техногенные катастрофы в Чернобыле и Фукусиме, из-за которых погибли тысячи человек, а ущерб, нанесенный экономике СССР и Японии, составляет миллиарды долларов. Кроме того, от атомной энергии, как правило, остаются отходы, которые необходимо утилизировать.
Вместе с тем выступающая за продвижение ядерной энергетики Всемирная ядерная ассоциация опубликовала в 2011 году данные, согласно которым гигаватт в год электроэнергии, произведенной на угольных электростанциях, в среднем (учитывая всю производственную цепочку) обходится в 342 человеческих жертвы, на газовых — в 85, на гидростанциях — в 885, тогда как на атомных — всего в 8.
Другой проблемой ядерной энергетики является тепловое загрязнение. По мнению специалистов, атомные электростанции «в расчете на единицу производимой электроэнергии» выделяют в окружающую среду больше тепла, чем сопоставимые по мощности ТЭС.
Ядерная медицина
Как отрасль медицины эта сфера появилась только в 1970-1980-х, несмотря на то, что еще в 1901 году французские физики Анри-Александр Данло и Эжен Блок впервые применили радий для лечения кожного туберкулеза, а венгр Дьёрдь де Хевеши в 1913 году предложил использовать в биологических исследованиях метод меченых атомов.
Сейчас ядерная медицина применяется в основном при кардиологических и онкологических заболеваниях, а вся сфера в целом потребляет свыше половины всех радиоактивных изотопов в мире. В частности, в онкологии (радиобиология опухолей — «Хайтек») ядерная медицина выполняет такие задачи, как выявление опухолей, метастазов и рецидивов, определение степени распространенности опухолевого процесса, дифференциальная диагностика, лечение опухолевых образований и оценка эффективности противоопухолевой терапии.
Лидером этого рынка являются США и Япония, при этом Россия является лидером по производству сырьевых медицинских изотопов, однако пока страна не имеет собственной полноценной программы ядерной медицины.